CN104932119A - 垂直磁控等离子体光子晶体太赫兹波调制器及调制方法 - Google Patents

垂直磁控等离子体光子晶体太赫兹波调制器及调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种垂直磁控等离子体光子晶体太赫兹波调制器，其特征在于该光子晶体太赫兹波调制器包括二维三角晶格结构硅光子晶体(1)、波导区(2)、点缺陷谐振腔(3)；其中，二维三角晶格结构光子晶体(1)是沿X—Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体；在二维三角晶格结构硅光子晶体(1)的两端引入对称的线缺陷构成波导区(2)，然后在二维三角晶格结构光子晶体(1)的中心处采用磁控可调谐材料锑化铟构造圆形介质柱，形成点缺陷谐振腔(3)，太赫兹波沿x方向从波导区(2)的左端输入，波导区(2)的右端输出；外加磁场在X—Z平面内沿Z方向施加到圆形点缺陷谐振腔(3)上，其方向与太赫兹波传输方向垂直。

Description

垂直磁控等离子体光子晶体太赫兹波调制器及调制方法
技术领域
本发明是一种磁控太赫兹波调制器(二维三角晶格结构光子晶体)，尤其是一种缺陷模迁移型以及消失型、等离子体光子晶体太赫兹波调制器，涉及太赫兹波通信与光信息处理的技术领域。
背景技术
光子晶体作为一种新型的光学功能材料，已受到了广泛的关注。人们正试图利用光子晶体的特殊性质，开发出更多的光学元器件，其中光子晶体调制器就是研究的热点之一。而太赫兹波(100GHz—10THz)是频谱上的最后一段空白，将其应用于未来的无线通信领域，以解决高速率、超宽带无线接入问题是必然的趋势。将光子晶体调制器的调制波段迁移到THz波段，就很好地满足了现代无线移动通信的宽频带要求。
根据调制机理的不同，光子晶体太赫兹波调制器主要分为以下两类:光子带隙型和缺陷模型。其中光子带隙型太赫兹波调制器是利用光子带隙的改变来实现对太赫兹波的断、通调制；而缺陷模型太赫兹波调制器是利用光子晶体的缺陷模迁移(或消失)来实现对太赫兹波的断、通调制。并且缺陷模型太赫兹波调制器比光子带隙型太赫兹波调制器的调制性能更好。
垂直磁控的磁控等离子体光子晶体太赫兹波调制器具有以下优势:调制器性能好，可同时实现缺陷模迁移型以及消失型太赫兹波调制器，调制器的插入损耗低；消光比可以达到很高。调制器的稳定性和可靠性强，并且调制器体积很小，易于光电集成。
缺陷模变化型的光子晶体太赫兹波调制器是通过在光子晶体的点缺陷处引入磁控材料锑化铟实现的。外加磁场于点缺陷处在X—Z平面内沿Z方向入射，磁性材料锑化铟在磁场下形成磁化等离子体，随着控制外加磁场的有无，其折射率将发生变化，光子晶体中谐振腔内的缺陷模在特定频段内将发生迁移或消失，从而控制所传播赫兹波的通、断，实现把信号加载到太赫兹波上。
发明内容
技术问题：本发明目的是提供一种垂直磁控等离子体光子晶体太赫兹波调制器及调制方法，其采用磁控的方法，可以同时实现缺陷模迁移以及消失型太赫兹波调制器，具有很好的调制性能，且为缺陷模变化型，从而大大减小了调制器的插入损耗，消光比也得到了很大的改善。
技术方案：为了适应高速、超宽带太赫兹波通信系统的发展，使太赫兹波调制器能同时实现缺陷模迁移以及缺陷模消失型调制，具有低插损和高消光比的性能，我们提出了一种新型的垂直磁控等离子体光子晶体太赫兹波调制器，使其工作在太赫兹波段，更具实际的应用价值。传统的光子晶体太赫兹波调制器均是基于光控或者电控的方式，运用带隙迁移原理来实现太赫兹波的调制，其插入损耗大，消光比很小，性能参数不理想。而已研究出的基于光子晶体的太赫兹波调制器也仅能运用缺陷模迁移或者消失原理来实现太赫兹波的调制，调制性能单一且插入损耗，消光比等性能参数亦不理想，限制了其在高速太赫兹波通信系统中的应用；我们采用基于二维三角晶格的点、线缺陷组合结构，并在中心点缺陷处填充磁控锑化铟材料，得以同时实现缺陷模迁移型以及消失型、基于二维三角晶格光子晶体的磁控太赫兹波调制器，消光比分别高达20.36dB和33.61dB，插入损耗低达0.08dB和0.36dB，调制性能良好。
本发明的一种垂直磁控等离子体光子晶体太赫兹波调制器包括二维三角晶格结构硅光子晶体、波导区、点缺陷谐振腔；其中，二维三角晶格结构光子晶体是沿X—Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体；在二维三角晶格结构硅光子晶体的两端引入对称的线缺陷构成波导区，然后在中心处采用磁控可调谐材料锑化铟构造圆形介质柱，形成点缺陷谐振腔，太赫兹波沿X方向从波导区的左端输入，波导区的右端输出；外加磁场在X—Z平面内沿Z方向入射到圆形点缺陷谐振腔上，其方向与太赫兹波传输方向垂直。
所述外加磁场由通电螺线管提供。
信号光是一束太赫兹波沿X方向从波导区左端输入，波导区右端输出，外加磁场由通电螺线管提供，在X—Z平面内沿着Z方向入射到圆形点缺陷谐振腔上，其方向与太赫兹波传输方向垂直。
本发明提出的垂直磁控等离子体光子晶体太赫兹波调制器的调制方法是:随着控制外加磁场的有无，磁性材料锑化铟在磁场下形成磁化等离子体，其折射率将发生变化，光子晶体中谐振腔内的缺陷模在特定频段内将发生迁移或消失，从而控制所传播太赫兹波的通、断，实现把信号加载到太赫兹波上。
有益效果：本发明提出的一种垂直磁控等离子体光子晶体太赫兹波调制器，尤其是一种可同时实现缺陷模迁移以及消失型调制的光子晶体太赫兹波调制器。此调制器在二维三角晶格、介质柱型硅光子晶体中，将线缺陷波导区和圆形点缺陷可调谐振腔相结合，其中波导区提供了太赫兹波在光子晶体中的有效传输路径，填充磁控可调谐材料锑化铟构造的点缺陷谐振腔起着快速高效地谐振和选频作用。更重要的是，只需引入单个点缺陷，就可同时实现缺陷模迁移以及消失型调制，大大改善了调制性能。并且由于点缺陷填充了磁控可调谐材料，其折射率在磁场的控制下将发生明显变化且具有色散特性，使得调制器的调制性能好，性能参数优，满足了未来高速率、超宽带太赫兹波通信系统的需求。
附图说明
图1为本发明光子晶体太赫兹波调制器的结构图，图中有：二维三角晶格结构光子晶体1、波导区2、点缺陷谐振腔3。
图2a为无外加磁场情况下，缺陷模消失型调制器中缺陷模的频谱图，
图2b为有无外加磁场情况下，缺陷模消失型调制器中缺陷模的频谱图。
图3a为无无外加磁场情况下，缺陷模迁移型调制器中缺陷模的频谱图，
图3b为有无外加磁场情况下，缺陷模迁移型调制器中缺陷模的频谱图。
图4a为缺陷模消失型调制器“通”状态的示意图，
图4b为缺陷模消失型调制器“断”状态的示意图，
图5a为缺陷模迁移型调制器“通”状态的示意图，
图5b为缺陷模迁移型调制器“断”状态的示意图。
具体实施方式
该垂直磁控等离子体光子晶体太赫兹波调制器包括二维三角晶格结构光子晶体1、波导区2、点缺陷谐振腔3；其中，二维三角晶格结构光子晶体1是沿X—Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体。在其两端引入对称的线缺陷构成波导区2，在二维三角晶格结构光子晶体1的中心采用磁控可调谐材料锑化铟构造圆形介质柱，形成点缺陷谐振腔3，太赫兹波沿X方向从波导区2的左端输入，波导区2的右端输出；外加磁场在X—Z平面内沿Z方向入射到圆形点缺陷谐振腔3上。
波导区2是由移去了二维三角晶格光子晶体中对称分布的两排圆形硅介质柱构成的线缺陷组成，两线缺陷不相通，与谐振腔沿直线排列。
太赫兹波载频分别为1.983THz和3.25THz(对应波长为151.3μm和92.33μm)，外加磁场由通电螺线管提供。
本发明提供的垂直磁控等离子体光子晶体太赫兹波调制器由二维三角晶格光子晶体1、波导区2、点缺陷谐振腔3构成。其中二维三角晶格结构光子晶体1是沿X—Z平面呈三角形周期性分布的介质柱型硅光子晶体。介质柱材料为硅，背景材料为空气。波导区2位于光子晶体的两端，由移去了二维三角晶格结构光子晶体的两排对称分布的圆形硅介质柱构成的线缺陷(但两线缺陷不相通)组成。在两线缺陷连接处引入点缺陷谐振腔3，点缺陷3内填充磁控可调谐材料锑化铟。太赫兹波沿X方向从波导区2的左端输入，波导区2的右端输出。太赫兹波载频为1.983THz和3.25THz，外加磁场在X—Z平面内沿着Z方向入射到圆形点缺陷谐振腔3上；外加磁场可以由通电螺线管提供。
具体参数为:晶格常数a＝55μm，圆形介质柱半径r＝11μm，缺陷模迁移型调制器中的点缺陷半径r1＝13.97μm，缺陷模消失型中的点缺陷半径r2＝8.228μm，硅介质柱折射率为3.4，背景材料空气的折射率为1，点缺陷处填充磁性材料锑化铟。锑化铟的折射率定义为N＝n-n’，包括实部与虚部两部分，其折射率的大小决定于磁场强度。锑化铟在太赫兹波段内受磁场影响会产生磁化等离子体，其介电张量满足Drude模型，由于磁场施加方向与太赫兹波传输方向垂直，因此其等效介电常数随磁场强度的变化而变化，且具有色散特性，即在不同的频段处有着不同的折射率。当锑化铟处于无磁场状态时，太赫兹频段内的折射率基本保持不变，但其在太赫兹波段的折射率随磁场强度的变化而变化，其折射率实部在不同频段处的变化不同，且虚部在某一频段内陡升至1以上，说明锑化铟材料对此频段处的光吸收损耗剧烈，不能正常传输。当没有外加磁场时，锑化铟材料的折射率实部为3.9，虚部很小仅为10-3量级。随着外加磁场的磁场强度增大到1.26T时,频率为3.25THz附近对应的折射率实部为3.9，而虚部陡升至1.4。同时频率为1.983THz附近对应的折射率实部增大到4.1左右，而虚部很小仅为10-3量级。
此垂直磁控等离子体光子晶体太赫兹波调制器的工作原理如下:线缺陷的引入，实质是为太赫兹波的传输提供了波导，使频率范围落在光子禁带范围内的太赫兹波能够通过线缺陷；点缺陷的引入，实质上是一个太赫兹波谐振腔，它可以对太赫兹波选频，使符合谐振频率(即缺陷模频率)的太赫兹波在缺陷处谐振。因此当没有外加磁场时，锑化铟的折射率为3.9，虚部为10-3量级，缺陷模消失型调制器中的点缺陷处对应的谐振模频率为3.25THz(对应波长为92.33μm)，此时符合缺陷模频率的太赫兹波均可通过线缺陷并耦合入圆形点缺陷中进行谐振，调制器为“开”状态。当使用磁场强度为1.26T的外加磁场时，锑化铟折射率实部仍为3.9，虚部约为1.4，此时点缺陷处的缺陷模消失，线缺陷的输出端口没有光输出，调制器表现为“关”。同时，当磁场强度为1.26T时，缺陷模迁移型调制器中的点缺陷处对应的谐振模频率为1.983THz(对应波长为151.3μm)，此时符合缺陷模频率的太赫兹波均可通过线缺陷并耦合入圆形点缺陷中进行谐振，调制器表现为“开”。当不加外磁场时，缺陷模频率发生迁移为2.05THz(对应波长为146.4μm)，不能在圆形点缺陷中谐振，表现为“关”。
调制过程如下:当一束频率为3.25THz，1.983THz的TE模太赫兹波从调制器的线缺陷波导区入射时:
(1)当缺陷模消失型调制器中不加外加磁场，点缺陷处锑化铟的折射率实部为n＝3.9，虚部n’为10-3量级，此时频率为3.25THz的光能通过调制器。如图4a所示。缺陷模频率分别为3.25THz(对应波长为92.33μm)。此时调制器输出的光强约为0.92，插入损耗为0.36dB。
(2)在缺陷模消失型调制器中的圆形点缺陷处的外加磁场强度为1.26T时，点缺陷处锑化铟的折射率实部为n＝3.9，虚部n’为1.4，此时入射光频率为3.25THz的入射光不能通过调制器，如图4b所示。此时调制器输出的光强约为0.0004，消光比为33.61dB。
(3)在缺陷模迁移型调制器中的圆形点缺陷处的外加磁场强度为1.26T时，1.983THz频段处锑化铟的折射率实部为n＝4.1，虚部n’为10-3量级，此时频率为1.983THz的光能通过调制器。如图5a所示。缺陷模频率为1.983THz(对应波长为151.3μm)。此时调制器输出的光强约为0.98，插入损耗为0.08dB。
(4)在缺陷模迁移型调制器中的圆形点缺陷处不加外加磁场，点缺陷处锑化铟的折射率实部为n＝3.9，虚部n’为10-3量级，缺陷模频率迁移到2.05THz(对应的波长为146.4μm)，此时频率为1.983THz的入射光不能通过调制器，如图5b所示。此时调制器输出的光强约为0.009，消光比为20.36dB。

Claims (3)

1.一种垂直磁控等离子体光子晶体太赫兹波调制器，其特征在于该光子晶体太赫兹波调制器包括二维三角晶格结构硅光子晶体(1)、波导区(2)、点缺陷谐振腔(3)；其中，二维三角晶格结构光子晶体(1)是沿X—Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体；在二维三角晶格结构硅光子晶体(1)的两端引入对称的线缺陷构成波导区(2)，然后在二维三角晶格结构硅光子晶体(1)的中心处采用磁控可调谐材料锑化铟构造圆形介质柱，形成点缺陷谐振腔(3)，太赫兹波沿x方向从波导区(2)的左端输入，波导区(2)的右端输出；外加磁场在X—Z平面内沿Z方向施加到圆形点缺陷谐振腔(3)上，其方向与太赫兹波传输方向垂直。
2.根据权利要求1所述的一种垂直磁控等离子体光子晶体太赫兹波调制器，其特征在于所述外加磁场由通电螺线管提供。
3.一种如权利要求1所述的一种垂直磁控等离子体光子晶体太赫兹波调制器的调制方法，其特征在于:所述的调制器通过控制外加磁场的磁场强度，引起点缺陷填充的磁控可调谐材料锑化铟的等效折射率发生磁光效应，使光子晶体中心点缺陷处谐振的缺陷模发生动态变化，进而实现对太赫兹波的通、断调制，实现了把信号加载到太赫兹波上。
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